ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА Лекция 5 Модели представления знаний

ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА Лекция 5. Модели представления знаний. Продукционная модель. Формальные логические модели.

МОДЕЛИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ ПРОДУКЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФРЕЙМОВАЯ МОДЕЛЬ СЕМАНТИЧЕСКИЕ СЕТИ ФОРМАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ © 2010 Горский П. В. 2

© 2010 Горский П. В. ПРОДУКЦИОННАЯ МОДЕЛЬ Правила. Пары и триплеты. Типы продукционных систем. 3

ПРОДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА (PRODUCTION SYSTEM) Впервые идея появилась в работе Эмиля Поста (Emil Leon Post), 1943. Продукционная система ЭКВИВАЛЕНТНА машине Тьюринга. © 2010 Горский П. В. 4

ПРОДУКЦИОННАЯ МОДЕЛЬ @ Продукционная модель – это способ описания знаний в виде ПРАВИЛ: Есть ДВА СПОСОБА использования правил: ПРЯМОЙ ВЫВОД – поиск от исходных данных (фактов) к цели; © 2010 Горский П. В. ЕСЛИ “предпосылка, условие” ТО “заключение, действие” ОБРАТНЫЙ ВЫВОД – поиск от целевого факта к данным. Существуют ДВЕ СТРАТЕГИИ вывода (основные): ПОИСК В ГЛУБИНУ – переход по уровням по пути, соответствующему более детальному описанию задачи; ПОИСК В ШИРИНУ – анализ всех фактов на уровне пространства состояний задачи. 5

ЦЕПОЧКА ВЫВОДА (REASONING) © 2010 Горский П. В. Эта цепочка показывает, как на основании правил и исходных фактов выводит заключение о возможности получения кредита. 6

ПРАВИЛА «ЕСЛИ (условие), ТО (действие)» условие действие Условие (антецедент) © 2010 Горский П. В. − нечто, предшествующее явлению таким образом, что между ними прослеживается причинная связь. − некоторое предложение-образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний. Действие (консеквент) consequent – являющийся результатом, следствием чего-либо. − это действия, выполняемые при успешном исходе поиска. − могут быть: • Промежуточные – выступают далее как условие; • Целевые – завершают работу системы. 7

ПРАВИЛА @ © 2010 Горский П. В. Из антецедентов (условий) и консеквентов (действий) формируются ПАРЫ, которые хранятся в рабочей памяти (базе данных) продукционной системы АТРИБУТ – ЗНАЧЕНИЕ Например: Правило: ЕСЛИ «двигатель не заводится» И «стартер двигателя не работает» , ТО «неполадки в системе электропитания стартера» . Пары атрибут – значение: двигатель – не заводиться; стартер – не работает. В процессе логического вывода КАЖДОЕ ПРАВИЛО из базы правил может сработать ТОЛЬКО ОДИН РАЗ! 8

ТРИПЛЕТЫ © 2010 Горский П. В. Семантики пар «атрибут – значение» может оказаться недостаточно для представления фактов предметной области. Отдельная сущность предметной области рассматривается как ОБЪЕКТ. Описание знаний с помощью ТРИПЛЕТОВ: ОБЪЕКТ – АТРИБУТ – ЗНАЧЕНИЕ Уточняется КОНТЕКСТ ПРИМЕНЕНИЯ правила. Примеры триплетов: студент – фамилия – Иванов студент – специальность – МИ студент – курс – 5 С введением триплетов ПРАВИЛА МОГУТ СРАБАТЫВАТЬ БОЛЕЕ ОДНОГО РАЗА – но НЕ более одного раза к КАЖДОМУ ЭКЗЕМПЛЯРУ объекта! 9

СОСТАВ ЭС ПРОДУКЦИОННОГО ТИПА Любая экспертная система продукционного типа должна содержать ТРИ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТА: БАЗА ПРАВИЛ (БП) – ФОРМАЛИЗОВАННЫЕ с помощью правил продукции ЗНАНИЯ о конкретной предметной области. РАБОЧУЮ ПАМЯТЬ (РП) – ДИНАМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ базы знаний, содержимое которой зависит от окружения решаемой задачи. МЕХАНИЗМ ВЫВОДА – выполняет две основные функции: © 2010 Горский П. В. ПРОСМОТР существующих в рабочей памяти фактов и правил из БП, а также ДОБАВЛЕНИЕ в РП новых фактов; ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРЯДКА просмотра и применения правил: ПРЯМОЙ – прямой вывод, ОБРАТНЫЙ – обратный вывод. 10

ТИПЫ ПРОДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ : Системы с прямыми выводами – реализуют стратегию «ОТ ФАКТОВ К ЗАКЛЮЧЕНИЯМ» . : Системы с обратными выводами – ВЫДВИГАЮТ ГИПОТЕЗЫ вероятных заключений, которые могут быть подтверждены или опровергнуты на основании фактов, поступающих в рабочую память. • : Прямые выводы часто применяются в системах диагностики, их называют ВЫВОДАМИ, УПРАВЛЯЕМЫМИ ДАННЫМИ. © 2010 Горский П. В. • Обратные выводы УПРАВЛЯЮТСЯ ЦЕЛЯМИ. Системы с двунаправленными выводами – используют ОБА РЕЖИМА выводов. 11

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДОСТОИНСТВА НЕДОСТАТКИ ОТЛИЧИЕ от структур знаний, свойственных человеку; НЕЯСНОСТЬ взаимных отношений правил; СЛОЖНОСТЬ оценки целостного образа знаний; НИЗКАЯ эффективность обработки знаний. При разработке НЕБОЛЬШИХ СИСТЕМ, состоящих из нескольких десятков правил, проявляются в основном ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ СТОРОНЫ систем продукций. При УВЕЛИЧЕНИИ ОБЪЕМА ЗНАНИЙ более заметными становятся СЛАБЫЕ СТОРОНЫ. © 2010 Горский П. В. ПРОСТОТА представления знаний; ПРОСТОТА организации логического вывода. 12

КОМПОНЕНТЫ МЕХАНИЗМА ВЫВОДА Компонента ВЫВОДА – основано на применении правила логического вывода Modus Ponens Если в РП присутствует истинный факт А и в базе правил существует правило вида «если А, то В» , то факт В признается истинным и заносится в РП. Подобный логический вывод ЛЕГКО РЕАЛИЗУЕТСЯ НА ЭВМ, однако при этом часто возникают проблемы: @ Проблемы РАСПОЗНАВАНИЯ значений слов, Факты могут иметь ВНУТРЕННЮЮ СТРУКТУРУ, Возможны СВЯЗИ РАЗЛИЧНОГО РОДА между элементами внутренней структуры. Компонента вывода должна быть организована СПОСОБНОЙ ФУНКЦИОНИРОВАТЬ в условиях НЕДОСТАТКА ИНФОРМАЦИИ. © 2010 Горский П. В. Компонента УПРАВЛЕНИЯ ОПРЕДЕЛЯЕТ ПОРЯДОК применения правил, УСТАНАВЛИВАЕТ, имеются ли еще факты, которые могут быть изменены в случае продолжения работы при немонотонном выводе (в условиях неполноты информации). 13

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ ВЫВОДА Механизм вывода РАБОТАЕТ ЦИКЛИЧЕСКИ. В ЦИКЛЕ ВЫПОЛНЯЮТСЯ четыре основные операции: СОПОСТАВЛЕНИЕ – образец (антецедент) правила СРАВНИВАЕТСЯ с имеющимися в РП фактами; РАЗРЕШЕНИЕ КОНФЛИКТНОГО НАБОРА – ВЫБОР ОДНОГО из нескольких правил в том случае, если их можно применить ОДНОВРЕМЕННО; СРАБАТЫВАНИЕ ПРАВИЛА – В СЛУЧАЕ СОВПАДЕНИЯ образца правила из БП с фактами, имеющимися в РП, происходит срабатывание правила, при этом оно отмечается в БП; ДЕЙСТВИЕ – ДОБАВЛЕНИЕ В РП ЗАКЛЮЧЕНИЯ сработавшего правила. Если в заключении содержится директива на выполнение некоторой процедуры, последняя выполняется. © 2010 Горский П. В. В ОДНОМ ЦИКЛЕ может сработать ТОЛЬКО ОДНО ПРАВИЛО! 14

ЦИКЛ РАБОТЫ ВЫВОДА Сопоставление База правил Действие Критерий выбора правила Разрешение конфликта © 2010 Горский П. В. Рабочая память Конфликтный набор Срабатывание 15

СПОСОБЫ ЗАВЕРШЕНИЯ ЦИКЛА ТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ЗАВЕРШЕНИЯ ЦИКЛА: Исчерпание ВСЕХ правил из БП; Выполнение некоторого УСЛОВИЯ, которому удовлетворяет содержимое рабочей памяти (например, появление в ней какого-то образца); КОМБИНАЦИЯ этих способов. © 2010 Горский П. В. 16

ПРИМЕР ПРЯМОГО ВЫВОДА В БАЗЕ ПРАВИЛ имеются следующие правила: Правило 1. «ЕСЛИ двигатель не заводится И фары не горят, ТО сел аккумулятор» Правило 2. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, ТО двигатель не заводится» 1) Фары не горят, 2) Указатель бензина находится на нуле. ОСНОВНЫЕ ШАГИ АЛГОРИТМА ПРЯМОГО ВЫВОДА: 1) 2) 3) 4) СОПОСТАВЛЕНИЕ фактов из РП с образцами правил из БП. Правило 1 не может сработать, Правило 2 СРАБАТЫВАЕТ – образец, совпадающий с его антецедентом, присутствует в РП. ДЕЙСТВИЕ сработавшего правила 2. В РП заносится заключение этого правила: «двигатель не заводится» . ВТОРОЙ ЦИКЛ: СОПОСТАВЛЕНИЯ фактов в РП с образцами правил. СРАБАТЫВАЕТ правило 1 – совпадение условий в его антецеденте становится истинной. ДЕЙСТВИЕ правила 1 – выдача пользователю окончательного диагноза – «сел аккумулятор» . КОНЕЦ РАБОТЫ (БП исчерпана). © 2010 Горский П. В. В РАБОЧУЮ ПАМЯТЬ от пользователя ЭС поступили факты: 17

ПРИМЕР ПРЯМОГО ВЫВОДА С КОНФЛИКТНЫМ НАБОРОМ В БАЗЕ ПРАВИЛ имеются следующие правила: В РАБОЧУЮ ПАМЯТЬ от пользователя ЭС поступили факты: 1) Фары не горят, 2) Указатель бензина находится на нуле. ОСНОВНЫЕ ШАГИ АЛГОРИТМА ПРЯМОГО ВЫВОДА: © 2010 Горский П. В. Правило 1. «ЕСЛИ двигатель не заводится И фары не горят, ТО сел аккумулятор» Правило 2. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, ТО двигатель не заводится» Правило 3. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, ТО нет бензина» Возможно применение двух правил (конфликтный набор): правило 2 и правило 3. Если выбрать правило 2: В РП добавится факт «двигатель не заводится» . Конфликтный набор – правило 1 и правило 3. . . . Возможные варианты вывода (по циклам): (2, 1) (2, 3, 1) (3, 2, 1) 18

ПРИМЕР ОБРАТНОГО ВЫВОДА В БАЗЕ ПРАВИЛ имеются следующие правила: Алгоритм ОБРАТНОГО ВЫВОДА содержит следующие шаги: Правило 1. «ЕСЛИ двигатель не заводится И фары не горят, ТО сел аккумулятор» 1) Выдвигается гипотеза окончательного диагноза ТО двигатель не заводится» Правило 2. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, – «сел аккумулятор» . © 2010 Горский П. В. 2) Отыскивается правило, заключение которого соответствует выдвинутой В РАБОЧУЮ ПАМЯТЬ от пользователя ЭС поступили факты: гипотезе – это правило 1. 1) Фары не горят, возможность применения правила 1. Для этого в рабочей памяти 3) Исследуется 2) Указательприсутствовать факты, нуле. должны бензина находится на совпадающие с образцом этого правила. Правило 1 не может сработать из-за отсутствия в РП образца «двигатель не заводится» . Этот факт становится новой целью на следующем шаге вывода. 4) Поиск правила, заключение которого соответствует новой цели. Такое правило есть – правило 2. 5) Исследуется возможность применения правила 2 (сопоставление). Оно срабатывает, так как в РП присутствует факт, совпадающий с его образцом. 6) Действие правила 2, состоящее в занесении заключения «двигатель не заводится» в РП. 7) Условная часть правила 1 теперь подтверждена фактами, следовательно, оно срабатывает, и выдвинутая начальная гипотеза подтверждается. 8) Конец работы. 19

ПРИМЕР ОБРАТНОГО ВЫВОДА С КОНФЛИКТНЫМ НАБОРОМ В БАЗЕ ПРАВИЛ имеются следующие правила: В РАБОЧУЮ ПАМЯТЬ от пользователя ЭС поступили факты: Фары не горят, Указатель бензина находится на нуле. ОСНОВНЫЕ ШАГИ АЛГОРИТМА ПРЯМОГО ВЫВОДА: . . . … … Возможные варианты вывода (по циклам): © 2010 Горский П. В. Правило 1. «ЕСЛИ двигатель не заводится И фары не горят, ТО сел аккумулятор» Правило 2. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, ТО двигатель не заводится» Правило 3. «ЕСЛИ указатель бензина находится на нуле, ТО нет бензина» Правило 4. «ЕСЛИ засорился бензонасос, ТО двигатель не заводится» (1, 2) (1, 4, 2) Правило 3, не связанное с поставленной целью, вообще не затрагивается в процессе вывода. Этот факт свидетельствует о БОЛЕЕ ВЫСОКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАТНЫХ ВЫВОДОВ по сравнению с прямыми выводами. ПРИ ОБРАТНЫХ ВЫВОДАХ СУЩЕСТВУЕТ ТЕНДЕНЦИЯ ИСКЛЮЧЕНИЯ ПРАВИЛ, КОТОРЫЕ НЕ ИМЕЮТ ОТНОШЕНИЯ К ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ. 20

УПРАВЛЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИМ ВЫВОДОМ В каком виде хранятся знания? Как выбираются начальная точка поиска? Правила разрешения конфликтов? Структура, с помощью которой хранятся знания? © 2010 Горский П. В. В ЭС процедуры управления логическим выводом ЗАКРЫТЫ не только для пользователя, но и для инженера по знаниям. ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ: Для разрешения конфликтов в системах с прямыми выводами широкое распространение получил метод разрешения конфликтов LEX: Предпочтение отдается правилам со ссылкой на САМЫЙ ПОСЛЕДНИЙ СГЕНЕРИРОВАННЫЙ ОБРАЗЕЦ. Если таких правил несколько, то среди них выбирается правило с НАИБОЛЬШИМ ЧИСЛОМ УСЛОВИЙ в антецеденте. 21

СТРАТЕГИИ РАЗРЕШЕНИЯ КОНФЛИКТОВ РЕФРАКЦИЯ (refraction) для предотвращения ЗАЦИКЛИВАНИЯ: НОВИЗНА (recency) позволяет сосредоточить поиск на ОДНОЙ ЛИНИИ РАССУЖДЕНИЯ: После активизации правила оно не может быть использовано снова, пока не измениться содержимое рабочей памяти. Предпочтение отдается правилам, в условии которых встречаются факты, добавленные в рабочую память последними. © 2010 Горский П. В. СПЕЦИФИЧНОСТЬ (specifity) отдает предпочтение более КОНКРЕТНЫМ ПРАВИЛАМ перед более общими: Одно правило более специфично (конкретно), чем другое, если оно содержит больше фактов в условной части. 22

СТРУКТУРА ХРАНЕНИЯ ЗНАНИЙ В ЭС продукционного типа все множество знаний хранится в виде ДРЕВОВИДНОЙ СТРУКТУРЫ, называемой И-ИЛИ-графом © 2010 Горский П. В. Простейший фрагмент структуры И-ИЛИ-графа 23

СТРУКТУРА ХРАНЕНИЯ ЗНАНИЙ введением связки «ИЛИ» в условную часть, включением в антецедент ВЫЧИСЛЕНИЙ на основании содержимого рабочей памяти и т. п. С помощью И-ИЛИ-графа обратный вывод можно представить как проблему ПОИСКА ОПРЕДЕЛЕННОГО ПУТИ на графе. © 2010 Горский П. В. Классическая форма продукций предполагает наличие в антецеденте только связки «И» . На практике классическая форма может быть РАСШИРЕНА: ВЫБОР одной из связок «ИЛИ» соответствует РАЗРЕШЕНИЮ КОНФЛИКТНОГО НАБОРА, при этом не безразличен порядок оценки условий в антецеденте, соединенных связкой. 24

РАЗНОВИДНОСТИ ЦЕПОЧЕК ВЫВОДА МОНОТОННЫЙ ВЫВОД факты не удаляются из рабочей памяти. НЕМОНОТОННЫЙ ВЫВОД Допускается удаление фактов из рабочей памяти. Существенную роль играет порядок применения продукционных правил. © 2010 Горский П. В. 25

СТРАТЕГИЯ ПОИСКА В ГЛУБИНУ При выборе очередной подцели в процессе обратного вывода предпочтение всегда отдается той, которая соответствует следующему, БОЛЕЕ ДЕТАЛЬНОМУ УРОВНЮ ОПИСАНИЯ ЗАДАЧИ. Например, система диагностики, сделав на основании известных симптомов предположение о причинах неисправности, будет запрашивать уточняющие признаки и симптомы до тех пор, пока полностью не подтвердит (опровергнет) выдвинутую гипотезу. © 2010 Горский П. В. 26

СТРАТЕГИЯ ПОИСКА В ГЛУБИНУ 4 3 2 7 1 6 10 11 13 Факты Начало поиска 8 © 2010 Горский П. В. 5 9 12 Заключение 27

СТРАТЕГИЯ ПОИСКА В ШИРИНУ © 2010 Горский П. В. При поиске в ширину СНАЧАЛА АНАЛИЗИРУЮТСЯ ВСЕ СИМПТОМЫ (факты), находящиеся на одном уровне пространства состояний задачи, даже если они относятся к разным целям (подцелям), и только после этого происходит переход к поиску симптомов следующего уровня. 28

СТРАТЕГИЯ ПОИСКА В ШИРИНУ 8 4 2 10 1 5 11 12 13 Факты Начало поиска 3 © 2010 Горский П. В. 9 6 7 Заключение 29

СРАВНЕНИЕ СТРАТЕГИЙ Поиск в глубину характеризуется более высоким РИСКОМ ПОТЕРИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ по сравнению с поиском в ширину. © 2010 Горский П. В. Поиск в глубину БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВЕН в отношении времени поиска и обработки знаний в сравнении с поиском в ширину. 30

РАЗБИЕНИЕ НА ПОДЗАДАЧИ Декомпозиция дает положительный эффект только для хорошо структурированных областей знаний. Основано на правильном понимании сущности задачи и возможности ее представления в виде СИСТЕМЫ ИЕРАРХИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ ЦЕЛЕЙ-ПОДЦЕЛЕЙ. РАЗБИЕНИЕ на подзадачи необходимо выполнить ОПТИМАЛЬНЫМ СПОСОБОМ. © 2010 Горский П. В. 31

- АЛГОРИТМ © 2010 Горский П. В. УМЕНЬШЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА СОСТОЯНИЙ путем удаления в нем ветвей, неперспективных для поиска успешного решения. Для ее успешной реализации следует располагать ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ЭВРИСТИЧЕСКИМИ ЗНАНИЯМИ, которые используются при выборе перспективных направлений. Является КОМПРОМИССОМ между «поиском в ширину» и «поиском в глубину» . Например, в БЗ продукционной системы, заполненной знаниями о животном мире, не следует искать животных, не относящихся к млекопитающим, в направлении, берущем начало от вершины, определяющей млекопитающих. 32